Titanium nitride

Titanium nitride (TiN; sometimes known as tinite) is an extremely hard ceramic material, often used as a physical vapor deposition (PVD) coating on titanium alloys, steel, carbide, and aluminium components to improve the substrate's surface properties.

Applied as a thin coating, TiN is used to harden and protect cutting and sliding surfaces, for decorative purposes (for its golden appearance), and as a non-toxic exterior for medical implants. In most applications a coating of less than 5 micrometres (0.00020 in) is applied.^[5]

TiN has a Vickers hardness of 1800–2100, hardness of 31±4 GPa,^[6] a modulus of elasticity of 550±50 GPa,^[6] a thermal expansion coefficient of 9.35×10⁻⁶ K⁻¹, and a superconducting transition temperature of 5.6 K.^[7][6]

TiN oxidizes at 800 °C in a normal atmosphere. It is chemically stable at 20 °C, according to laboratory tests, but can be slowly attacked by concentrated acid solutions with rising temperatures.^[7] TiN has a brown color and appears gold when applied as a coating. Depending on the substrate material and surface finish, TiN has a coefficient of friction ranging from 0.4 to 0.9 against another TiN surface (non-lubricated). The typical TiN formation has a crystal structure of NaCl type with a roughly 1:1 stoichiometry; TiN_x compounds with x ranging from 0.6 to 1.2 are, however, thermodynamically stable.^[8]

يصبح نيتريد التيتانيوم (TiN) موصلاً فائقاً عند درجات حرارة منخفضة للغاية، حيث تصل درجة الحرارة الحرجة إلى 6.0  كلفن للبلورات الأحادية. ^{[ 9 ]} وقد دُرست الموصلية الفائقة في أغشية TiN الرقيقة على نطاق واسع، حيث تختلف خصائص الموصلية الفائقة اختلافاً كبيراً تبعاً لطريقة تحضير العينة، وصولاً إلى كبت الموصلية الفائقة تماماً عند الانتقال من حالة الموصل الفائق إلى حالة العازل . ^{[ 10 ]} تم تبريد غشاء رقيق من TiN إلى ما يقارب الصفر المطلق ، مما حوّله إلى أول عازل فائق معروف ، مع زيادة مفاجئة في المقاومة بمقدار 100,000 ضعف. ^{[ 11 ]}

الأوزبورنيت هو شكل طبيعي نادر جدًا من نتريد التيتانيوم، ويوجد حصريًا تقريبًا في النيازك . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

مثقاب مطلي بالتيتانيوم

طلاء رمادي داكن من كربيد التيتانيوم (TiCN) على سكين جيب من شركة جيربر

من الاستخدامات المعروفة لطلاء TiN الحفاظ على الحواف ومقاومة التآكل في أدوات الآلات، مثل رؤوس المثاقب وقواطع التفريز ، مما يؤدي غالبًا إلى تحسين عمرها الافتراضي بمقدار ثلاثة أضعاف أو أكثر. ^{[ 14 ]}

بسبب لونه الذهبي المعدني، يُستخدم نيتريد التيتانيوم (TiN) في طلاء المجوهرات التقليدية وزخارف السيارات لأغراض تزيينية. كما يُستخدم على نطاق واسع كطبقة طلاء علوية، عادةً مع ركائز مطلية بالنيكل أو الكروم ، على تجهيزات السباكة المنزلية ومقابض الأبواب. ويُستخدم أيضًا في تطبيقات الفضاء والطيران والتطبيقات العسكرية، ولحماية الأسطح المنزلقة لشوكات التعليق في الدراجات الهوائية والنارية ، بالإضافة إلى محاور امتصاص الصدمات في السيارات التي يتم التحكم فيها عن بُعد . كما يُستخدم نيتريد التيتانيوم كطبقة واقية على الأجزاء المتحركة في العديد من البنادق والأسلحة النارية شبه الآلية، نظرًا لمتانته الفائقة. فضلًا عن متانته، يتميز أيضًا بنعومته الفائقة، مما يُسهّل إزالة تراكم الكربون. نيتريد التيتانيوم غير سام، ويتوافق مع إرشادات إدارة الغذاء والدواء الأمريكية ^{[ 15 ]} ، وقد استُخدم في الأجهزة الطبية مثل شفرات المشارط وشفرات مناشير العظام ، حيث تُعدّ الحدة والحفاظ على حدة الشفرة من الأمور بالغة الأهمية. ^{[ 16 ]} كما تم استخدام طلاءات TiN في الأطراف الاصطناعية المزروعة (وخاصة غرسات استبدال مفصل الورك ) وغيرها من الغرسات الطبية.

على الرغم من أنها أقل وضوحًا، تُستخدم الأغشية الرقيقة من نيتريد التيتانيوم (TiN) في الإلكترونيات الدقيقة ، حيث تعمل كوصلة موصلة بين الجهاز النشط والموصلات المعدنية المستخدمة لتشغيل الدائرة، بينما تعمل أيضًا كحاجز انتشار لمنع انتشار المعدن إلى السيليكون. في هذا السياق، يُصنف نيتريد التيتانيوم على أنه "معدن حاجز" (مقاومة كهربائية تبلغ حوالي 39  ميكرو أوم·سم ^{[ 2 ]} )، على الرغم من أنه من الواضح أنه مادة خزفية من منظور الكيمياء أو السلوك الميكانيكي. كما تستخدم تصميمات الرقائق الحديثة بتقنية 45  نانومتر وما بعدها نيتريد التيتانيوم كـ"معدن" لتحسين أداء الترانزستور . وبالاقتران مع مواد عازلة للبوابة (مثل سيليكات _{الهافنيوم} HfSiO4 ) ذات سماحية أعلى مقارنةً بثاني أكسيد السيليكون SiO2 القياسي _، يمكن تصغير طول البوابة مع انخفاض التسريب ، وزيادة تيار التشغيل، والحصول على جهد عتبة مماثل أو أفضل . ^{[ 17 ]} بالإضافة إلى ذلك، يجري حاليًا دراسة استخدام الأغشية الرقيقة من نيتريد التيتانيوم لتغطية سبائك الزركونيوم المستخدمة في الوقود النووي المقاوم للحوادث. ^{[ 18 ] [ 19 ]} كما يستخدم كطلاء على بعض أغشية محركات الضغط لتحسين الأداء.

بفضل استقرارها الحيوي العالي، يمكن استخدام طبقات نيتريد التيتانيوم (TiN) كأقطاب كهربائية في التطبيقات الإلكترونية الحيوية ^{[ 20 ]،} مثل الغرسات الذكية أو أجهزة الاستشعار الحيوية داخل الجسم التي يجب أن تتحمل التآكل الشديد الناتج عن سوائل الجسم . وقد طُبقت أقطاب نيتريد التيتانيوم بالفعل في مشروع الأطراف الاصطناعية تحت الشبكية ^{[ 21 ]} ، وكذلك في الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة الطبية الحيوية ( BioMEMS ) ^{[ 22 ]} .

أكثر الطرق شيوعًا لإنتاج أغشية رقيقة من نيتريد التيتانيوم (TiN) هي الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD، وعادةً ما يكون الترسيب بالرش ، أو الترسيب بالقوس الكاثودي ، أو التسخين بشعاع الإلكترون ) والترسيب الكيميائي للبخار (CVD). ^{[ 23 ]} في كلتا الطريقتين، يُسامى التيتانيوم النقي ويتفاعل مع النيتروجين في بيئة عالية الطاقة ومفرغة . يمكن أيضًا إنتاج أغشية TiN على قطع عمل من التيتانيوم عن طريق النمو التفاعلي (على سبيل المثال، التلدين ) في جو من النيتروجين . يُفضل استخدام PVD للأجزاء الفولاذية لأن درجات حرارة الترسيب تتجاوز درجة حرارة الأوستنة للفولاذ. كما تُرسب طبقات TiN بالرش على مجموعة متنوعة من المواد ذات نقطة الانصهار العالية مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم وسبائك التيتانيوم . ^{[ 24 ]} معامل يونغ العالي (تم الإبلاغ عن قيم تتراوح بين 450 و590 جيجا باسكال في المراجع ^{[ 25 ]} ) يعني أن الطلاءات السميكة تميل إلى التقشر، مما يجعلها أقل متانة بكثير من الطلاءات الرقيقة. يمكن أيضًا ترسيب طبقات نتريد التيتانيوم عن طريق الرش الحراري، بينما يتم إنتاج مساحيق TiN عن طريق نترجة التيتانيوم بالنيتروجين أو الأمونيا عند 1200 درجة مئوية. ^{[ 7 ]}  

يمكن تصنيع الأجسام الخزفية الضخمة عن طريق تعبئة مسحوق التيتانيوم المعدني في الشكل المطلوب، وضغطه إلى الكثافة المناسبة، ثم إشعاله في جو من النيتروجين النقي. الحرارة المنبعثة من التفاعل الكيميائي بين المعدن والغاز كافية لتلبيد ناتج تفاعل النيتريد وتحويله إلى قطعة صلبة جاهزة. انظر: علم المعادن المساحيق .

توجد عدة أنواع تجارية من نيتريد التيتانيوم (TiN) تم تطويرها منذ عام 2010، مثل كربونات نتريد التيتانيوم (TiCN)، ونيتريد ألومنيوم التيتانيوم (TiAlN أو AlTiN)، وكربونات نتريد ألومنيوم التيتانيوم، والتي يمكن استخدامها منفردة أو في طبقات متناوبة مع نيتريد التيتانيوم. توفر هذه الطلاءات تحسينات مماثلة أو أفضل في مقاومة التآكل والصلابة، بالإضافة إلى ألوان إضافية تتراوح من الرمادي الفاتح إلى الأسود تقريبًا، وصولًا إلى لون أزرق بنفسجي داكن متقزح، وذلك حسب طريقة التطبيق. أصبحت هذه الطلاءات شائعة الاستخدام في الأدوات الرياضية، وخاصة السكاكين والمسدسات ، حيث تُستخدم لأسباب جمالية ووظيفية.

يُنتج نتريد التيتانيوم أيضًا عمدًا، ضمن بعض أنواع الفولاذ، بإضافة التيتانيوم إلى السبيكة بحذر . يتشكل نتريد التيتانيوم عند درجات حرارة عالية جدًا نظرًا لانخفاض حرارة تكوينه ، بل ويتشكل مباشرةً من المصهور في عمليات تصنيع الفولاذ الثانوية. يُكوّن نتريد التيتانيوم جسيمات مكعبة منفصلة بحجم الميكرومتر عند حدود الحبيبات والنقاط الثلاثية، ويمنع نمو الحبيبات من خلال نضج أوستوالد حتى درجات حرارة متجانسة عالية جدًا . يتميز نتريد التيتانيوم بأقل حاصل ذوبان بين جميع نتريدات أو كربيدات المعادن في الأوستنيت، وهي سمة مفيدة في تركيبات الفولاذ المُعالج بالسبائك الدقيقة .